Технология структур кремния на изоляторе (стр. 1 из 2)
Московский институт электронной техники
(ТУ)
Курсовая работа
по курсу
Технология материалов электронной техники
на тему
Технология структур кремния на изоляторе
Москва 2008 г.
Оглавление
Введение
1. Преимущества технологии КНИ
2. Конструктивное исполнение структур КНИ
3. Технологии создания структур КНИ
3.1 Ионное внедрение
3.2 Сращивание пластин
3.3 Управляемый скол
3.4 Эпитаксия
4. Технологический маршрут и операции получения структур КНИ методом управляемого скалывания
5. Использование технологии КНИ в технике
6. Перспективы
Список литературы
Введение
Структура КНИ представляет собой технологию изготовления полупроводниковых приборов, основанной на применении в качестве подложки трехслойной структуры кремний-диэлектрик-кремний вместо обычно применяемых монолитных кремниевых пластин.
Развитие технологий производства структур "кремний на изоляторе" (КНИ) в условиях чистых производственных помещений и лабораторий необходимо для:
1) создания новой элементной базы микроэлектроники (предназначенной для производства интегральных схем с наилучшими эксплуатационными параметрами и радиационно стойких ИС);
2) научных исследований (отработка новых технологических маршрутов производства структур КНИ, изучение влияния дефектов на механические, структурные и электрофизические свойства структур КНИ, изучение возможности создания макетов приборов и самих приборов на основе лабораторных структур КНИ, производство лабораторных структур КНИ для предприятий с целью их научного и практического использования в новых изделиях);
3) фундаментальных исследований процессов и явлений при имплантации, отжиге, сращивании, а также дефектообразовании в тонких слоях монокристаллического кремния и изолирующих слоях диэлектрика;
4) создания специализированного оборудования и соответствующих технологических процессов промышленного производства приборных структур КНИ.
1. Преимущества технологии КНИ
Структуры КНИ являются одним из наиболее удобных исходных материалов для развития нанотехнологии и создания прототипов активных элементов на квантоворазмерных эффектах для супербыстродействующих вычислительных средств.
Структуры КНИ обладают существенными преимуществами по сравнению с обычными пластинами кремния и необходимы для разработки: радиационно стойких ИС (и аппаратуры на их основе); термостойких ИС; низкоэнергопотребляемых ИС; высоковольтных ИС; а также для создания различных микроэлектромеханических устройств.
Эксперты предсказывают, что к 2010 г. примерно половина всех ИС будет производиться на основе КНИ. Эти перспективы обусловлены рядом обстоятельств:
1. ИС на основе КНИ более надежны, чем ИС на основе монокристаллических полупроводниковых пластин, поскольку полная изоляция элементов ИС диэлектриком более совершенна, чем изоляция p-n переходами. Верхний предел диапазона рабочих температур ИС на основе КНИ существенно выше (300...400°С), чем аналогичный предел ИС на основе монокристаллического кремния (125... 150°С). Это объясняется тем, что диэлектрическая изоляция более термостойка, чем изоляция p-n переходами. Радиационная стойкость ИС на основе КНИ существенно выше стойкости ИС на основе монокристаллического кремния. Именно по этой причине СКНД являются в настоящее время основой радиационно стойких МОП ИС.
2. Плотность компоновки элементов ИС на основе СКНД в 1,5...3 раза выше, чем плотность компоновки элементов ИС на основе монокристаллического кремния, поскольку изоляция диэлектриком более компактна, чем изоляция р-n переходами. В этом случае в МОП ИС нет необходимости формировать изоляционные карманы, кроме того, приборный слой СКНД можно изготовить сверхтонким (до 0,1 мкм) и, соответственно, уменьшить размеры элементов ИС. Уменьшение размеров элементов ИС дает возможность уменьшить напряжение питания ИС до 1,5 В и менее, что позволяет, в свою очередь, понизить рассеиваемую мощность и уменьшить размеры и массу источников питания.
3. Замена изоляции р-n переходами на изоляцию диэлектриком уменьшает паразитные емкости и сопротивления в ИС, в результате чего в 1,5...2 раза повышается быстродействие схем. Уменьшение размеров элементов ИС также повышает быстродействие и упрощает их конструкцию, что приводит к упрощению технологии ИС, в частности, к исключению около 30 технологических операций в технологии КМОП ИС и к повышению выхода годных приборов.
4. СКНД могут служить базой для изготовления более сложных структур, например, SiGe/Si [2], обладающих оптоэлектронными свойствами, отсутствующими у кремния. Кроме того, на основе КНИ проще масштабировать элементы ИС вплоть до квантоворазмерных и одноэлектронных приборов (транзисторов), при этом подавляются многие паразитные эффекты (например, короткоканальный эффект, паразитная инжекция носителей заряда из подложки).
Перспективность использования КНИ обусловлена также тем, что многообразие их возможных конструкций удовлетворяет подавляющему большинству требований разработчиков ИС:
- толщина приборного слоя может быть выдержана в диапазоне от 0,1 до 200 мкм;
- удельное сопротивление приборного слоя может быть любым в диапазоне от 0,003 Ом·см до 10000 Ом·см;
- изолирующий диэлектрик может быть любого типа: монокристаллическим, аморфным, поликристаллическим;
- опорная пластина может быть изготовлена из материала с предельно высокой теплопроводностью.
2. Конструктивное исполнение структур КНИ
Подложка, выполненная по технологии кремний на изоляторе, представляет собой трёхслойный пакет, который состоит из монолитной кремниевой пластины, диэлектрика и размещённого на нём тонкого поверхностного слоя кремния. В качестве диэлектрика может выступать диоксид кремния SiO2 или, гораздо реже, сапфир (в этом случае технология называется «кремний на сапфире» или КНС).
Рис.1 Структура КНИ
Первым направлением была гетероэпитаксия кремния на сапфире (КНС). Самым труднопреодолимым препятствием в КНС оказалось напряженное и содержащее огромную плотность дефектов и примесей состояние интерфейса. По мере роста толщины слоя структура улучшалась, однако, для КМОП ИС толщина слоя должна быть около 0,6 мкм; при такой толщине слои КНС занимали среднее положение между монокристаллическими и аморфными слоями. Однако кремний на сапфире является состоявшейся технологией с долгой историей успешного применения в космических программах, что объясняется его высокой стойкость к излучению, в том числе и к радиации.
Значительно более качественным диэлектриком является аморфный SiO2, особенно полученный термическим осаждением.
Первым примером структур кремния на изоляторе на основе высококачественного исходного материала явились кремниевые структуры с диэлектрической изоляцией (КСДИ).
Рис.2 КСДИ в разрезе: 1-монокремний; 2-пленка SiO2; 3-опорный поликремний
Для изготовления КСДИ используются обычные технологические установки: оборудование для изготовления кремниевых пластин и их химобработки, высокотемпературные печи для окисления кремния и диффузии в него примесей, установки для выращивания мелкозернистого поликристаллического кремния и для выращивания крупноблочного поликристаллического кремния.
В настоящее время эти структуры применяются крайне редко по целому ряду причин:
1) большая толщина слоев монокремния, заключенных в изолированные карманы (~ 20 мкм), и неоднородность ее в партии и по площади пластины (не менее ±15% согласно ТУ).
2) загрязнение кремния в карманах при длительном высокотемпературном наращивании опорного поликремния и уход параметров материала от номинальных;
3) невысокое качество поверхности к абразивному воздействию кремния и стенок SiO2, выходящих за поверхность. Кроме того, из-за разницы ТКЛР моно- и поликремния трудно избежать прогиба пластин
полупроводниковый подложка кремний диэлектрик
3. Технологии создания структур КНИ
В настоящее время наиболее распространены КНИ-подложки, где в качестве изолятора выступает диоксид кремния. Наиболее популярными являются технологические маршруты изготовления структур КНИ, использующие: рекристаллизацию слоя кремния; формирование изолирующего слоя с помощью прокисления пористого кремния; имплантацию ионов водорода; молекулярно-лучевую эпитаксию на пористом кремнии; латеральное эпитаксиальное заращивание; имплантацию ионов кислорода (азота) в кремниевую подложку; сращивание (связывание) кремниевых пластин с последующим формированием изолированного слоя кремния. Существует множество других методов изготовления структур КНИ, которые, не получив широкого распостранения, тем не менее являются интересными и используются для разработки специализированных схем, микромеханических устройств и датчиков.
Технология ионного внедрения так же известна как ионная имплантация, имплантация кислорода, ионный синтез захороненных диэлектрических слоев и SIMOX (англ. Separation by IMplantation of OXygen). При использовании данной технологии монолитная кремниевая пластина подвергается интенсивному насыщению кислородом путём бомбардировки поверхности пластины его ионами с последующим отжигом при высокой температуре, в результате чего образуется тонкий поверхностный слой кремния на слое оксида. Глубина проникновения ионов примеси зависит от уровня их энергии, а поскольку технология КНИ подразумевает достаточно большую толщину изолирующего слоя, то при производстве подложек приходится использовать сложные сильноточные ускорители ионов кислорода. Это обусловливает высокую цену подложек, изготовленных по этой технологии, а большая плотность дефектов в рабочих слоях является серьёзным препятствием при массовом производстве п./п. приборов.